JP5946714B2

JP5946714B2 - 燃料電池発電装置及び燃料電池発電装置の冷却水回収方法

Info

Publication number: JP5946714B2
Application number: JP2012166865A
Authority: JP
Inventors: 部康之磯; 子隆之金
Original assignee: Toshiba Fuel Cell Power Systems Corp
Current assignee: Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2012-07-27
Filing date: 2012-07-27
Publication date: 2016-07-06
Anticipated expiration: 2032-07-27
Also published as: JP2014026850A

Description

本発明の実施形態は、燃料電池発電装置及び燃料電池発電装置の冷却水回収方法に関する。

家庭用燃料電池システムは、都市ガスやＬＰＧ等を用いて発電を行いながら、排熱を温水として回収するコジェネレーションシステムである。燃料電池が発電の際に発する熱エネルギーは冷却水によって回収される。熱エネルギーを回収した冷却水は、熱交換器で冷却された後、水タンクに供給される。水タンク内の冷却水は、ポンプによって燃料電池に供給される。熱交換器には冷却水と熱交換を行って冷却水から熱を回収するための排熱回収水が供給されており、熱交換後の排熱回収水（温水）が家庭に供給される。水タンクには、水抜きポートおよび閉止弁が設けられており、閉止弁を開けることで冷却水を抜くことができるようになっている。

このような家庭用燃料電池システムが、入居者の決まっていない新築の家屋に設置される場合、設置時に試運転等を行った後、無電源の状態で長期間保管されることとなる。このような状態で冬期になると、システム内の水が凍結し、装置の故障原因となる。したがって、試運転等を行った後は冷却水を除去しておくことが一般的である。

冷却水を除去する方法として、空気パージにより冷却水を水タンクに回収するものが知られている。しかし、このような手法は空気を導入するための遮断弁が必要となり、システムが複雑化し、装置コストが増加するという問題があった。

特開２００５−３０２４９７号公報

本発明が解決しようとする課題は、簡易な構成で冷却水を容易に回収できる燃料電池発電装置及び燃料電池発電装置の冷却水回収方法を提供することである。

本実施形態の燃料電池発電装置の冷却水回収方法は、燃料電池に空気を供給する空気ブロワと、前記燃料電池から排出された冷却水と排熱回収水との熱交換を行う熱交換器と、前記熱交換器から排出された冷却水が第１配管を介して供給されるタンクと、前記タンク内の冷却水を前記燃料電池に供給するポンプと、前記タンク内の冷却水を前記ポンプに導き、前記タンクに取り外し可能に接続された第２配管と、を備える燃料電池発電装置から冷却水を回収する方法である。この方法は、前記タンクから前記第２配管を取り外し、前記タンクと前記空気ブロワの空気吸引口とを接続し、前記空気ブロワを駆動して前記タンク内の空気を吸引し、冷却水を前記タンクに回収し、回収した冷却水を前記タンクから排出する。

第１の実施形態に係る燃料電池発電装置の運転時の概略構成図である。第１の実施形態に係る燃料電池発電装置の冷却水回収時の概略構成図である。第１の実施形態に係る冷却水回収時に用いる貯留容器の概略構成図である。第２の実施形態に係る燃料電池発電装置の冷却水回収時の概略構成図である。第２の実施形態に係る冷却水回収時の水タンクの概略構成図である。変形例による燃料電池発電装置の冷却水回収時の概略構成図である。変形例による燃料電池発電装置の冷却水回収時の概略構成図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

（第１の実施形態）図１及び図２に第１の実施形態に係る燃料電池発電装置の概略構成を示す。図１は燃料電池発電装置の運転時の構成を示し、図２は燃料電池発電装置から冷却水を回収する時の構成を示している。

図１に示すように、燃料電池発電装置は、燃料電池１０３と、燃料ブロワ１０１から供給された燃料（例えばＬＰＧ）を触媒に接触させて水素リッチな改質ガスを生成し、この改質ガスを燃料電池１０３に供給する改質器１０２と、燃料電池１０３に空気を供給する空気ブロワ１０６とを備えている。空気ブロワ１０６の空気流路上流側には空気流量計１０５が設けられており、空気流量計１０５の測定結果に基づいて、空気ブロワ１０６から一定量の空気が燃料電池１０３に供給されるようになっている。また、燃料電池１０３には、空気やガスを排気する排気部（図示せず）が設けられている。

改質器１０２にける燃料の改質反応は吸熱反応であるため、改質器１０２にはバーナ（図示せず）が設置され、バーナの燃焼熱によって改質反応が行われる。空気ブロワ１０７は、改質器１０２のバーナに空気を供給する。

燃料電池１０３は、図示しない電解質膜と、電解質膜を挟んで対向して設けられた燃料極（アノード極）及び酸化剤極（カソード極）とを有している。酸化剤極に空気ブロワ１０６からの空気が導入され、燃料極に改質器１０２からの改質ガスが導入されると、両極における電気化学反応によって電気（直流電力）と熱エネルギーが発生する。

インバータ１０４は、燃料電池１０３から出力される直流電力を交流電力に変換し、電気機器等の電力負荷１０９に供給する。

燃料電池１０３が発電の際に発する熱エネルギーは冷却水によって回収される。熱エネルギーを回収した冷却水は、熱交換器２０１において排熱回収水と熱交換を行って冷却されると、配管２０４を介して水タンク２０２に供給される。ポンプ２０３が、配管２０５を介して水タンク２０２に貯留されている冷却水を吸引し、燃料電池１０３に供給することで、冷却水が循環するようになっている。配管２０４と水タンク２０２との連結箇所は切り離すことができるように構成されている。

ポンプ３０１は、熱交換器２０１に排熱回収水を供給する。熱交換器２０１における熱交換により昇温した排熱回収水は、お湯として家屋等に供給される。

次に、燃料電池発電装置から冷却水を回収する方法を、図２を用いて説明する。図２に示すように、冷却水の回収にあたり、まず、回収する冷却水を貯留する貯留容器１０８を準備する。貯留容器１０８は密閉（閉止）可能になっている。また、貯留容器１０８からは２本の配管１０９ａ、１０９ｂが延びている。

そして、配管２０４と水タンク２０２との連結箇所は切り離し、配管２０４と配管１０９ａとを連結する。水タンク２０２は大気解放となる。また、配管１０９ｂと空気ブロワ１０６の入口（空気吸引口）とを接続する。

そして、空気ブロワ１０６を駆動させ、空気ブロワ１０６が貯留容器１０８内の空気を吸引すると、冷却水が水タンク２０２→ポンプ２０３→燃料電池１０３→熱交換器２０１→貯留容器１０８の経路で移動し、図３に示すように、冷却水が貯留容器１０８に回収される。

これにより、燃料電池１０３だけでなく、水タンク２０２、ポンプ２０３、熱交換器２０１内の冷却水も回収（除去）できるため、冷却水凍結によって装置に不具合が発生することを防止できる。

また、冷却水の回収にあたり、貯留容器１０８から延びた２つの配管の一方を熱交換器２０１の出口に接続し、他方を空気ブロワ１０６に接続するといった簡易な作業を行えばよく、装置構成の複雑化及び装置コストの増加を防止することができる。

このように、本実施形態によれば、簡易な構成で冷却水を容易に回収することができる。

上記実施形態において、冷却水の回収経路に上り勾配の経路が存在する場合、当該経路の配管径が大き過ぎると、水が移動し難くなるため、上り経路の配管の断面積は４００ｍｍ^２以内にすることが好ましい。

（第２の実施形態）図４に第２の実施形態に係る燃料電池発電装置の冷却水回収時の概略構成を示す。本実施形態は、図２に示す第１の実施形態と比較して、回収する冷却水を水タンク２０２に集める点が異なる。図４において、図２に示す第１の実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。なお、本実施形態に係る燃料電池発電装置の運転時の構成は図１と同様である。

図４に示すように、冷却水の回収にあたり、まず、水タンク２０２の底部とポンプ２０３とを接続する配管２０５を、水タンク２０２から切り離す。配管２０５を切り離した後、水タンク２０３側の取り合いは閉止処置する。

そして、水タンク２０２の上部と空気ブロワ１０６の入口とを配管２０６で接続する。水タンク２０２が大気解放されている場合は、解放部分に閉止処置を施す。

そして、空気ブロワ１０６を駆動させ、空気ブロワ１０６が水タンク２０２内の空気を吸引すると、冷却水がポンプ２０３→燃料電池１０３→熱交換器２０１→水タンク２０２の経路で移動し、図５に示すように、冷却水が水タンク２０２に回収される。

冷却水の回収後、水タンク２０２内の冷却水は水抜きポート２０７を介して燃料電池発電装置の外部の排水口に排出される。

また、冷却水の回収にあたり、配管２０５を水タンク２０２から切り離し、水タンク２０２と空気ブロワ１０６を配管２０６で接続するといった簡易な作業を行えばよく、装置構成の複雑化及び装置コストの増加を防止することができる。

上記第１及び第２の実施形態において、冷却水回収にあたり空気ブロワ１０６を駆動する時間は、冷却水の総量に基づいて予め定めておいてもよい。また、上記第１の実施形態において、水タンク２０２に水位計を設け、水タンク２０２の水位が所定値以下になってから所定時間経過するまで空気ブロワ１０６を駆動するようにしてもよい。

また、上記第１及び第２の実施形態では、冷却水回収時に、配管１０９ｂ、配管２０６を空気ブロワ１０６の入口に直接接続していたが、図６及び図７に示すように、空気流量計１０５を介して空気ブロワ１０６に接続してもよい。そして、冷却水の回収を開始してから、空気流量計１０５で測定した空気ブロワ１０６の吐出量の積算値が所定値になるまで、空気ブロワ１０６を駆動するようにしてもよい。

上記第１及び第２の実施形態では、冷却水回収時に、貯留容器１０８内の空気、水タンク２０２内の空気を空気ブロワ１０６で吸引していたが、吸引機能を有する他の装置で行ってもよい。

上記第１及び第２の実施形態では、燃料電池発電装置を例に説明を行ったが、発熱を伴う発電部と、発電部で発生した熱を回収する冷却剤を有する他のシステム、例えば車載用燃料電池や一般のコジェネレーションシステムにも適用することができる。

以上説明したように、少なくとも一つの実施形態のよれば、簡易な構成で冷却水を容易に回収できる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０１燃料ブロワ
１０２改質器
１０３燃料電池
１０４インバータ
１０５空気流量計
１０６、１０７空気ブロワ
１０８貯留容器
１０９電力負荷
２０１熱交換器
２０２水タンク
２０３、３０１ポンプ
２０４〜２０６配管
２０７水抜きポート

Claims

燃料電池に空気を供給する空気ブロワと、
前記燃料電池から排出された冷却水と排熱回収水との熱交換を行う熱交換器と、
前記熱交換器から排出された冷却水が第１配管を介して供給されるタンクと、
前記タンク内の冷却水を前記燃料電池に供給するポンプと、
前記タンク内の冷却水を前記ポンプに導き、前記タンクに取り外し可能に接続された第２配管と、
を備える燃料電池発電装置から冷却水を回収する方法であって、
前記タンクから前記第２配管を取り外し、
前記タンクと前記空気ブロワの空気吸引口とを接続し、
前記空気ブロワを駆動して前記タンク内の空気を吸引し、冷却水を前記タンクに回収し、
回収した冷却水を前記タンクから排出することを特徴とする燃料電池発電装置の冷却水回収方法。
前記空気ブロワの駆動を開始してからの前記空気ブロワの吐出量の積算値が所定値に達したら前記空気ブロワを停止することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電装置の冷却水回収方法。
燃料電池に空気を供給する空気ブロワと、
前記燃料電池から排出された冷却水と排熱回収水との熱交換を行う熱交換器と、
前記熱交換器から排出された冷却水が第１配管を介して供給されるタンクと、
前記タンク内の冷却水を前記燃料電池に供給するポンプと、
前記タンク内の冷却水を前記ポンプに導き、前記タンクに取り外し可能に接続された第２配管と、
を備え、
前記空気ブロワが、前記第２配管が外された前記タンクから空気を吸引し、冷却水を前記タンクに回収することを特徴とする燃料電池発電装置。